Exploitation d’app ohes système dans les réseaux sans filvideos.rennes.inria.fr/hdr/Weis/soutenance HDR-F-Weiss.pdf · F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches 12 Démarche

Exploitation d’approches système dans les réseaux sans fil

Frédéric Weis

Habilitation à Diriger des Recherches

6 Juin 2012

Université de Rennes 1 – IUT Saint-Malo / IRISA

1 F. Weis - Habilitation à Diriger des Recherches

97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

MdC UR 1 / IUT Saint-Malo Délég. INRIA MdC

Parcours


Introduction

responsabilités administratives

Technologies de l’Internet – Réseaux sans fil – Sécurité des réseaux (DUT et LP) Systèmes mobiles et embarqués (Master 2)

activités d’enseignements

Responsable du dpt R&T

équipes de recherche

IRISA équipe ACES Système embarqué – informatique diffuse

IRISA équipe SOLIDOR Construction de système et d’application distribuée

thématiques de recherche

Réseaux mobiles

Informatique diffuse Informatique diffuse

Trois axes de recherche


Système d’Information Spontanés

Réseaux à couverture discontinue

Couplage de réseaux sans fil

1er axe

2004 1998

2008 2004

2010 2007

2ème axe

3ème axe

Interactions sans fil courte portée Voisinage physique

Bulles radio Réseaux étendus

Nouveaux services Réseaux hétérogènes

Introduction

Plan de l’exposé

1. Synthèse des travaux de recherche

2. Zoom sur le second axe : les réseaux à couverture discontinue

3. Bilan et perspectives


Première partie

• Motivations

• Systèmes d’Information Spontanés (S.I.S)

• Réseaux à couverture discontinue

• Couplage DVB / 3G


Résumé des travaux de recherche

Synthèse des travaux de recherche

Motivations

• Compétences dans le domaine réseaux et protocoles

• Travaux démarrés au sein d’une équipe « systèmes distribués et systèmes distribués grande échelle »

• Volonté de combiner ces deux domaines – Dans quel(s) cadre(s) cela a-t-il du sens ?

• Développement d’une informatique distribuée et mobile – Progrès constant dans le domaine de l’informatique

embarqué, miniaturisation des terminaux

– Développement des communications sans fil


Synthèse des travaux de recherche - Motivations

Développement des réseaux sans fil


Infrastructure d’interconnexion

station de base

cellule Réseaux cellulaires étendus

Interactions sans fil directes et courte portée

Réseaux locaux sans fil

pico-cellule

point d’accès

• Couverture continue • Complexité de déploiement

(planification radio) • Réservés aux opérateurs Télécoms • Support attendu (en 1998) de

l’Internet Mobile

• Exemple : WiFi • Simplicité de déploiement • Cellule radio de petite taille • Technologies peu coûteuses • Îlots de connectivité à Internet

(HotSpot)

• Exemple : WiFi mode ad hoc • Pas d’infrastructure • Communications « spontanées » • Mobilité non contrainte des nœuds

• La vraie mobilité ? • Nouvelles applications ?


Vision « réseau »



• Réseaux ad hoc – Maillage de nœuds

mobiles

• Problème de recherche – Routage

• Terrain d’opérations militaires, réseau de campus

Mobilité masquée par le routage

Pas d’applications dédiées

Vision « système »

• Principale caractéristique de l’informatique mobile = la variabilité

• Réponse classique à cette variabilité = mécanismes d’adaptation distribués dans le système

S’adapter = masquer les effets de la mobilité de l’utilisateur sur le système

Est-il possible de construire un système distribué, en exploitant la mobilité des nœuds, plutôt

qu’en la masquant ?



Première partie

• Motivations







Exploitation de la « vraie mobilité »


Construction spontanée d’un système d’information

Disparition du système d’information

Synthèse des travaux de recherche – S.I.S

• Système d’Information Spontané ou S.I.S – Exploitation de nœuds mobiles et d’interactions sans

fil courte portée pour construire automatiquement un système d’information

– Pas d’infrastructure, des communications spontanées

• La volatilité du lien ne peut pas être masquée au terminal – L’échange d’information et l’application associée

n’existent que si les nœuds mobiles sont proches

• Quelle(s) application(s) ? – Conférence, enchères, micro-paiement, …


Démarche Synthèse des travaux de recherche – S.I.S

Exemple


Requête :

Je recherche , prix < 10


• Lien « système / réseau »

– La conception du système d’information distribué sur les terminaux doit prendre en compte la volatilité des liens sans fil

Résultats


• Représentation informatique « fidèle » du voisinage physique d’un nœud mobile

– Prise en compte de la cinématique des terminaux et de l’asymétrie des communication sans fil

• Mécanismes d’adressage et de contrôle des informations partagées, supportant l’entrée / sortie des nœuds mobiles

– Bases de données de proximité


Bilan « S.I.S » • Une approche novatrice en 1998

– Des hypothèses « fortes »

– Un axe en lien avec l’informatique diffuse

– Un contexte très spécifique, la proximité physique des nœuds

• Difficultés – Des limites technologiques

– Justifier l’absence de routage !

– Comment prôner l’absence d’infrastructure dans un cadre « tout infrastructure » ?

• Deux thèses soutenues en 2004 – A. Troël (voisinage physique) et D. Touzet (base de données de proximité)

• Début d’une collaboration fructueuse avec Alcatel R&I à partir de 2000 – Réalisation de prototypes

• Des résultats qui influencent encore fortement mes travaux actuels



Première partie

• Motivations







Des S.I.S aux D-cov networks




1er axe

2004 1998

2008 2004

2ème axe



Introduction d’une borne fixe au sein

d’un S.I.S

Synthèse des travaux de recherche – réseaux à couverture discontinue

Introduction d’une borne fixe (1)

• Explosion de la quantité de données stockées dans la mémoire d’un terminal

• Capacités de stockage limitées des terminaux – « Déchargement » de la mémoire

chaque fois qu’une bulle radio est rencontrée par un terminal

– Approche initiale : le point d’accès peut être vu comme un nœud fixe dans un S.I.S



Introduction d’une borne fixe (2)



• Mise en place d’un lien logique entre les bulles radio

– Interconnexion + gestion protocolaire des échanges entre les bulles radio

• De simples îlots de connectivité vers un réseau mobile, étendu et à couverture discontinue

8

Une architecture réseau prometteuse ?



InfrastructureIP

Bulleradio

1. Couverture étendue 2. Pico-cellules 3. Simplicité de

déploiement 4. Connectivité radio

discontinue

1. Couverture étendue 2. Cellules de grande taille 3. Complexité de déploiement

(planification radio) 4. Connectivité radio

continue

Où sont les problèmes ?

• Les architectures discontinues sont exploitées dans des cas très spécifiques 1. Bande passante de la pico-cellule utilisée par un seul

utilisateur à la fois 2. Trajectoires des utilisateurs connues (par ex. une route) 3. Gestion uniquement du flux descendant (vers le terminal) … insuffisant pour justifier un déploiement étendu !

• Comment tirer véritablement parti de cette architecture ? 1. Servir une densité importante d’utilisateurs 2. Ne pas contraindre la mobilité des utilisateurs, ne pas

fixer de topologie pour la distribution des bulles radio 3. Exploiter le flux descendant (vers le terminal) et du flux

montant (du terminal vers l’infrastructure)



Peut-on masquer la discontinuité ?

• Au niveau réseau – Impossible, la discontinuité de la couverture est la base de

l’architecture

• Au niveau système – L’application dans le terminal doit pouvoir s’exécuter dans

un mode « connecté / déconnecté » – Le terminal doit « profiter » des zones de connectivité

radio pour charger des données, et « survivre » jusqu’à la prochaine bulle radio traversée



Proposition « réseau / système » Distribution d’une hiérarchie de caches

dans l’infrastructure réseau



Résultats

• Exploitation des flux descendants

– Une hiérarchie de caches permettant de masquer la discontinuité de la couverture et servir une densité élevée d’utilisateurs

• Exploitation des flux montants

– Stratégie de réplication des données dans l’infrastructure en fonction de leur « popularité »

Dans la seconde partie de cette exposé,

zoom sur la gestion des flux descendants dans les réseaux à

couverture discontinue

Résultats



• Le réseau à couverture continue est exploité comme un réseau à couverture discontinue

– Seules les zones offrant les meilleures débits sont exploitées

• La hiérarchie de caches permet de servir une densité accrue d’utilisateurs !

Bilan « couverture discontinue »

• Ouverture de nos travaux vers une infrastructure étendue – Une architecture originale – Application de nos solutions aux réseaux cellulaires

« classiques »

• Continuation de la collaboration avec Alcatel R&I, avec un aspect important – Avoir démontré l’intérêt d’une hiérarchie de caches au

sein d’infrastructure cellulaire

• Deux thèses soutenues en 2006 et 2008 – C. Bonan (1ère hiérarchie de caches) et M. Tlais (flux

montants)

• Une première approche du couplage – Utilisation combinée WiFi / 3G



Première partie

• Motivations







Les réseaux 4G


Synthèse des travaux de recherche – couplage DVB / 3G

LTE

A-GW

e-node B

WIMAX

Station de base

ASN

Diffusion DVB

Répéteur terrestre

Concentrateur satellite

WiFi

Contrôleur d’accès

Points d’accès

3G

RNC

SGSN GGSN

node B

Internet

Passerelle 4G Mobilité

Gestion des ressources

- couplage

Vers l’étude d’autres réseaux 4G




2008 2004

2010 2007

2ème axe

3ème axe



Système d’Information Spontanés 1er axe

2004 1998 Interactions sans fil courte portée

Voisinage physique

Couplage « système » de réseaux

sans fil


Deux réseaux complémentaires


Réseau DVB

Réseau cellulaire 3G

Terminaux mobiles bimodes

Canal unidirectionnel

Canal de diffusion

Canal bidirectionnel

Lien montant

Lien descendant

Diffusion de contenus TV

Fournisseur de

services 3G


Démarche

• Un véritable challenge : exploiter un couplage système « dans les deux sens » – Un service sur un réseau 3G peut-il exploiter les capacités

d’une infrastructure DVB mobile ? – Un service sur un réseau DVB mobile peut-il exploiter les

liens bidirectionnels d’un réseau 3G ?

• Une première approche : des caches dans l’infrastructure ! – Impossible, le cadre normatif est trop contraignant

• Identification d’un point de connexion réaliste entre les deux réseaux – Intégration des mécanismes systèmes de couplage



Résultats



Réseau de diffusion DVB Canal de diffusion

Diffuseur + Plateforme de services

Canal bidirectionnel

Fournisseur de services interactifs

Insertio

n d

e flux 3

g

Bascu

lemen

t de flu

x DV

B

Point de couplage Stockage des données Distribution des données Gestion de la signalisation

Réseau cellulaire 3G

3G vers DVB : Exploitation ponctuelle d’une

bande résiduelle 2590

2595

2600

2605

2610

2615

2620

234 360 486 612 738 864 990 1116 1242

DVB vers 3G : Délivrance de contenus

personnalisés 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 100 200 300 400 500 600 700 800

10% d'utilisateurs du service de contenus localisés

90% d'utilisateurs du service de contenus localisés

Dé

bit

(M

b/s

)

Temps (seconde)

Bilan « couplage »

• Une véritable « problématique 4G »

– Couplage d’infrastructures dans les deux sens

– Multi-attachement

• Un aspect important

– Avoir pris en compte la dimension réseau avant nos problématiques système

• Une thèse soutenue en 2010

– A. Jedidi (Point de couplage)



Trois axes de recherche






1er axe

2004 1998

2008 2004

2010 2007

2ème axe

3ème axe




ZOOM

Seconde partie



Etude des réseaux à couverture discontinue :

Gestion des flux descendants

Exploitation d’un service de streaming


Gestion des flux descendants – premiers éléments de solution

-----------------------------------------------------------------------------------------

Consommation continue des données

Infrastructure IP

Bulle radio

Serveur Envoi continu de données vers l’infrastructure

Absence de couverture

Absence de couverture

-----------------------------------------------------------------------------------------

6 Mb/s

Démarrage du service

54 Mb/s

Analogie avec les systèmes multi-proc.


Cache interne

processeur

Cache secondaire

Cache interne

processeur

Cache secondaire

Cache interne

processeur

Cache secondaire

Mémoire centrale

Bus processeur - cache

Bus cache – mémoire centrale

Cache interne

terminal

Un ou plusieurs niveaux de caches distribués dans le réseau

Cache interne

terminal

Cache interne

terminal

Serveur de contenu

Lien intermittent

Lien réseau

Infrastructure filaire

• Cache primaire intégré au processeur

• Cache secondaire pour accélérer d’accès à la mémoire centrale


• Niveau système – Combien de niveaux

de cache ?

• Niveau réseau – Où positionner ces

caches ?

Un modèle radio à deux zones



Zone de présence

Zone de transfert

Débit radio

Alimentation du cache terminal

Trois niveaux de cache


Serveur

Cache du point d’attachement


Cache des APs

6 Mb/s

Terminal mobile

Cache du terminal

Débit radio

54 Mb/s

Transfert de données

Augmentation des débits filaires


Augmentation des débits filaires = le lien AC-AP n’est plus limitant !

Gestion des flux descendants – évolution de l’architecture

Serveur

Cache du point d’attachement

Débit radio

Terminal mobile

Transfert de données

Cache du terminal

Résultats


Gestion des flux descendants – évolution de l’architecture

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

No

mb

re d

'in

terr

up

tio

ns

de s

erv

ice

Densité d'utilisateurs (utilisateurs/km2)

With "UDP like" transport layer

With cache-based transport layer

With cache-based transport layer and burst of data

1

2

3

« UDP like »

Protocole de transport de cache

Protocole de transport de cache + rafale de données

Troisième partie



Bilan et perspectives

Bilan (1)

• Axes directeurs

– Explorer les possibilités offertes par les interactions sans fil courte portée

– Combiner (protocoles) réseaux et (mécanismes) système

• Axes de recherche

– S.I.S (informatique diffuse)

– Réseaux 4G (réseaux mobiles), couverture discontinue et couplage



Bilan (2)

• Systèmes d’Information Spontanés (S.I.S) – Une exploitation des communications courte portée – Un contexte très spécifique : le voisinage de nœuds

mobiles

• Les réseaux à couverture discontinue – Une exploitation différente des communications courte

portée – Une ligne directrice : introduction de mémoires au sein

d’une infrastructure réseau

• Couplage DVB / 3G – Une poursuite de la thématique 4G – Intégration de mécanismes système dans un cadre

normatif « contraignant »



Perspectives – réseaux 4G

• Une gestion du multi-attachement …

– Au niveau du réseau

– Au niveau du terminal

… au delà d’un simple mécanisme de repli entre les deux réseaux

… pour autoriser un équilibrage de charge entre les différents réseaux couplés



Perspectives – informatique diffuse

• Exploiter des propriétés physiques dans l’environnement pour en déduire automatiquement un système d’information

• Problème : les verrous technologiques – Comment enrichir le contexte en s’appuyant sur

des données capturées dans le voisinage physique ?

• Plus qu’un terminal communicant, nous avons besoin d’un nœud de capteurs communicant



Exploitation d’un contexte local enrichi

• Des travaux de recherche – Delay-Tolerant Networking (DTN), Wireless Sensor

Network (WSN) …

• De nouvelles technologies – Micro-calculateurs

– 802.15.4 / 6LowPAN / RPL

• Un premier « retour » vers l’informatique diffuse – Localisation indoor étudiée dans le cadre d’une thèse

– Lecture d’une étiquette + caractérisation du mouvement du terminal



Des travaux tournés vers les Smart Spaces

• Il existe des cas de figure où un modèle logique de l’environnement ne fonctionne pas – Habitat intelligent

• Une architecture de nœuds de capteurs, d’objets communicants et d’interactions très courte portée

• Deux thèses en cours – Distribution de mécanismes de fusion de données – Evaluation de situations via les Context Spaces

Deux axes de recherche … – Exploitation efficace de nœuds de « vrais » capteurs – Compréhension et exploitation de contextes locaux

… et une collaboration en cours avec EDF R&D




Questions ?

Documents

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